中国首个“太空电站”实验基地正式动工 总投资约26亿元
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中国首个“太空电站”实验基地正式动工 总投资约26亿元

2021年07月08日 16:01:44
来源:DeepTech

历时十几年、数十位院士专家建言献策,中国首个空间太阳能电站实验基地,于近日正式开建!

据悉,“电站” 地点位于重庆市璧山区,主要涉及空间太阳能发电站、空间信息网及无线微波传能等技术的前期演示模拟和验证。

图 | 相关项目效果图(来源:璧山区委宣传部)

图 | 相关项目效果图(来源:璧山区委宣传部)

简单来说,“电站” 的主要功能是把太阳能转化为电能,并用微波方式或激光方式,把电能送到地面。

动图 | 璧山“电站”效果图(来源:资料图)

动图 | 璧山“电站”效果图(来源:资料图)

具体来说,是通过在地球轨道上建立太阳能电站,去收集太阳能并以无线能量传输方式、持续向地面供电的发电系统。

其主要优势在于,昼夜、天气、地区纬度等因素,都不会影响到空间太阳能电站。由于意义重大,国际上将此类项目称为能源领域的 “曼哈顿工程” 。

图 | 相关项目效果图(来源:璧山区委宣传部)

图 | 相关项目效果图(来源:璧山区委宣传部)

1968 年,美国科学家和航空工程师彼得・格拉泽(Peter Glaser),希望借助 “天对地” 的供电来解决能源问题,由此提出了空间太阳能电站的概念,并申请到相关专利。但由于技术壁垒高、所需系统规模过大,至今尚无国家建造出完整 “电站”。

图 | 彼得・格拉泽(Peter Glaser)申请的相关专利(来源:维基百科)

图 | 彼得・格拉泽(Peter Glaser)申请的相关专利(来源:维基百科)

而重庆璧山本次开建的“电站” 实验基地项目,总投资约 26 亿元,目前基地已获得首期投资约 1 亿元,投资额度之多足见决心之大。

基地内包括 33 亩核心实验建设区,将建成实验科普综合楼和试验平台等。核心试验区约为 106 亩,包括升空试验场地、气球平台调试大厅等设施,将重点进行空间太阳能发电站、无线微波传能以及空间信息网等技术的前期演示模拟与验证。

另外还有 167 亩外围隔离区面积,届时这里将是科普教育中心,同时也将种植太空育种植物,以及推进太空科普旅游。

图 | 璧山空间太阳能电站实验基地效果图(来源:资料图)

图 | 璧山空间太阳能电站实验基地效果图(来源:资料图)

建成后,璧山 “电站” 会成为中国第一个集试验、技术集成攻关、科学数据野外观测及新产业培育为一体的大型综合实验基地,将“改变传统能源传输方式、破解能源供给难题”等产生重大意义

(来源:资料图)

(来源:资料图)

据悉,“电站” 隶属于重庆无线能量传输及环境影响科学工程项目,于 2018 年正式启动,当时重庆市璧山区人民政府、重庆大学、中国空间技术研究院西安分院、西安电子科技大学联合签署了相关合作协议,并由中国工程院院士、重庆大学通信与测控中心教授杨士中担任项目技术负责人。

图 | 杨士中(来源:资料图)

图 | 杨士中(来源:资料图)

谈及未来计划杨士中告诉媒体,前期会在 “电站” 进行演示模拟与验证,从而给相关技术研究提供参考。

其中,2025 年左右预计实现中小规模平流层太阳能电站、以及并网发电,2025 年之后计划将进行大规模空间太阳能电站的系统应用工作。

他还表示:“空间太阳能电站的电能,主要通过无线方式进行传输,通过微波,对偏远地区、受灾地区等可进行定向供电或移动供电。”

图 | 项目鸟瞰效果图(来源:资料图)

图 | 项目鸟瞰效果图(来源:资料图)

之所以选址重庆璧山,是因为从自然条件来看,这里日照多、云雾阴雨少、无霜期长、气候湿润,基地周围三面环山,能让有关实验顺利实施;

从行政条件来看,该基地在成渝地区双城经济圈中起着重要作用,璧山区政府也把 “科技璧山 创新璧山” 作为该区的口号之一,此外该区位于重庆主城区西边,因此这座位于渝西的基地,也必将和成都发生产业联动。

图 | 璧山区政府官网部分介绍(来源:璧山区政府官网)

图 | 璧山区政府官网部分介绍(来源:璧山区政府官网)

中国空间太阳能电站从 “跟跑” 到 “并跑”

杨士中曾表示,相比石油、天然气等能源,太阳能是取之不尽、用之不竭的能源,具备高效、清洁、持久等特点。但由于大气层衰减,此前国内的地面太阳能电站可产生的电力有限。

而设想中的空间太阳能电站,距离地面高度将达到 3.6 万公里,这能完美避开大气层衰减影响,晴天雨天、白天夜晚都能全天候发电,还能大规模收集、转化太阳能,“并以无线方式将电能稳定传输到地面电网”。

全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩此前告诉媒体:“(这时)太阳光线不会被大气削弱,也不受季节、昼夜变化影响,99% 的时间内可稳定接收太阳辐射,且其强度是地面的 6 倍以上。”

图 | 庞之浩(来源:资料图)

图 | 庞之浩(来源:资料图)

在新能源电动汽车急速发展的当下,空间太阳能电站对于普通车主也有好处,庞之浩表示:“(这意味着)电动汽车或能随时随地充电,不再有‘断粮’之忧。” 未来的电动汽车,或许再也不会因为电池没电而 “趴窝” 在路上。

要想达到上述设想,至少要克服五大难题:其一,只有研发出大运力运载火箭,太空才能收到空间电站建设所需要的材料;其二,只有实现相关太空制造技术,才能在太空中组装空间电站;其三,要实现空间能量到地面的高效传输;其四,空间技术要达到相应水平;其五,要兼顾空间电站带来的环境影响。

动图 | 璧山“电站”效果图(来源:资料图)

动图 | 璧山“电站”效果图(来源:资料图)

而一旦建成,它会给传统能源传输方式、破解能源供给难题带来重大改变,延伸出的相关技术如空间太阳能应用、无线通信等,还可实现军民两用。

中国科学院院士葛昌纯曾撰文表示:“空间太阳能电站与可控核聚变电站被认为是两种最有可能的终极能源解决途径。可控核聚变目前仍处于基础科学研究有待突破的阶段,而空间太阳能电站不存在基础科学问题,虽然工程规模巨大,但相关技术经过持续研发是能够在一定时间内取得重要突破的。”

图 | 葛昌纯(来源:资料图)

图 | 葛昌纯(来源:资料图)

庞之浩也曾表示:“空间太阳能电站发展的核心应用目标,是为地面提供大规模商业化的电力供给。由于覆盖面积广、电力传输灵活,该技术能对偏远地区、受灾地区以及重要设施等进行定向或移动供电,为改善电力能源结构及供电方式提供创新方案,社会效益极高。”

近年来,新一轮航天装备制造产业革命正在进行中,相关制造产业链、供应链、价值链和创新链也呈现出多布局局面,多地区协同也能更好打通经济资源和人力资源,从而让中国航天在全球航天竞争中更好地发挥作用。另据悉,重庆和成都两地也正在合作建设世界万亿级装备制造产业集群。

据中国航天科技集团五院此前公开介绍,2008 年起,空间太阳能电站研发工作开始被纳入国家先期研究规划。十几年来,在空间太阳能电站方案的设计上,相关部门陆续提出了平台非聚光型、二次对称聚光型、多旋转关节、和球型能量收集阵列等。与此同时,一些关键技术比如无线能量传输等也有所进展。

动图 | 璧山“电站”效果图(来源:资料图)

动图 | 璧山“电站”效果图(来源:资料图)

可以说,在空间太阳能电站的研究上,中国已实现从 “跟跑” 到 “并跑”,是推动领域内发展的重要国际力量之一,在相关计划的制定上,多位专家院士颇有远见且多次建言献策。

2011 年,中国空间技术的开创者之一、中科院院士王希季等多位院士,提出 “发展空间太阳能电站从根本上解决能源和气候变化危机的建议”。

2013 年,中科院院士杨士中和工程院院士段宝岩,提出了 “关于尽早启动太空发电站关键技术研究的建议”。

2014 年 5 月,王希季等专家再次积极献计献策,在 “空间太阳能电站发展的机遇与挑战” 的第 499 次香山科学会议上,参会专家深入讨论后认为,建设空间太阳能电站具有重大战略意义,应提升至国家层面进行组织论证。彼时,中国能源学会也提出了 “关于发展商用空间太阳能电站解决我国未来能源环境问题的建议”。

2014 年,相关专家提出了如下发展路线建议:中期计划于 2030 年左右建设兆瓦级 “电”,力争让应急供电成为现实;远期计划于 2050 年之前具备建设百万千瓦级商业化 “电站” 的能力,以满足能源安全的战略需求。

在科研力量上,中国几十家科研院所和企业,正在攻关超大型空间结构在轨装配、空间超高压发电输电和高效无线能量传输等重要技术。

除本次璧山 “电站”之外,2019 年西安电子科技大学也已启动相关空间太阳能电站系统项目,项目名为 “逐日工程”。

图 | 2019 年 “逐日工程” 启动(来源:资料图)

图 | 2019 年 “逐日工程” 启动(来源:资料图)

对比国外,最近几年美国空军研究实验室和诺斯罗普・格鲁曼公司等机构也在加快研发,关键技术的空间验证计划于 2025 年之前开展;日本也提出了相关发展路线图,设想在 2050 年之前建设商业 “电站”;英国则于 2020 年公开委托两家公司进行评估,从而对 “电站” 研发策略进行商定。

本次 “电站”实验基地正式开建的消息一出,网上出现了 “领先美俄!中国计划将千吨发电站送上太空,可供人类 10 万年用电?” 的说法,对此一位业内专家表示,现在还处于讨论阶段,也尚未最终建好,只能说这是领域内的重要设施,不能说中国在相关技术上一定优于其他国家。

图 | 宇宙星球(来源:Pixabay)

图 | 宇宙星球(来源:Pixabay)

该专家告诉 DeepTech,在建设 “电站” 上可借鉴国外经验,其中日本在无线能量传输上,由于研究时间较长,当前在技术深度上优于中国。而国内相关机构,也正在和日本对应部门进行交流,但尚未建立合作。

并且重庆 “电站” 可能并非一旦建成、就能使用太空能源,但起码会给无线能量传输领域的相关科研带来一定帮助。

至于是否能让太空中的宇航员用到这种电,理论上可给航天器供电,并有望让航天器告别巨大的太阳能电池翼,从而降低自身辎重。但也得考虑是否存在相关场景需求,以及是否会带来其他问题。

这位专家也提到,“电站”对无人月球探测也具备一定意义,即能作为未来月球探测月夜供电的一种方式。月球夜晚长达 14 天,假如人类登上月球,夜间供电就会十分必要。届时,如果储存电能跟不上,“电站”的无线供电模式则能起到重要作用。